4G通信工程技术要点分析

向丽

【摘要】目前，国际上的4G标准已经基本制定完成，而我国的4G也已经进行了局部地区的使用。4G技术可以支持任何的移动终端，实现了移动电子商务的业务。本文就MIMO技术、MIMO技术、软件无线电技术和智能天线这几种4G通信工程技术进行论述。

【关键词】4G通信；MIMO技术；MIMO技术

1.MIMO 技术

MIMO技术是利用多天线技术，在发送方和接收方都使用多个天线来实现的。因为信息传输通过不同的路径，所以系统可以利用发射端和接收端的分集增益，来确保通信系统的可靠传输。相对于以前的单天线系，多天线技术可以在不增加频带的前提下，不仅增加用户数和提高了信道容量，并且还保证了每个用户的服务质量。利用MIMO信道可成倍地提高无线信道容量，MIMO系统的信道容量随着天线数目的增加而呈现线性的增加，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，成倍提高了频谱利用率。同时，MIMO技术还能通过空间分集增益来提高系统信道的可靠性和降低误码率。

2.OFDM技术

OFDM也就是正交频分复用技术，是MCM的一种。在无线信道中，信号数据流通常是以高速的串行方式来进行传输的。OFDM是把信道分成若干正交子信道，通过改变传输的方式来对传输过程中出现的问题进行解决，把高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制在每个子信道上低速传输。正交信号可在接收端通过相关技术来分开，来减少子信道之间的相互干扰（ICI）。一般情况下，无线通信系统都具有频率选择性衰落问题，而OFDM技术可以保证每个子信道相互之间是相对平坦的。因为每个子信道所占用的频带宽度很窄，因此子信道上所传输的信号一定要是窄带信号，实行窄带传输，从而消除符号间干扰（ISI）。

目前，OFDM技术受到越来越广泛的关注，主要是因为OFDM以下的一些优点：①频谱利用率高，频谱效率比串行系统高近一倍。OFDM信号的相邻子载波相互重叠，在理论上频谱利用率可以接近Nyquist极限。②抗衰落能力强。OFDM把用户信息由多个子载波传输，在每个子载波上的信号时间比同速率的单载波系统的信号时间长很多倍，从而增强了OFDM对脉冲噪声和信道快衰落的抵抗力。此外，通过子载波的联合编码，可以达到子信道间的频率分集的作用，这同样也增强了对脉冲噪声和信道快衰落的抵抗力。③适合高速数据传输。OFDM自适应调制机制可以使不同的子载波根据信道情况和噪声背景的不同而使用不同的调制方式。如果信道条件好，就采用效率高的调制方式；如果信道条件不好，则采用抗干扰能力强的调制方式。而且采用OFDM加载算法可使系统把更多的数据集中放在条件好的信道上進行高速率的传送。④抗码间干扰能力强。码间干扰是指数字通信系统中除了噪声干扰外最主要的干扰。只要传输信道的频带是有限的，就会造成一定的码间干扰。而OFDM由于采用了循环前缀，对抗码间干扰的能力很强。

3.软件无线电技术

软件无线电（software defined radio，简称SDR）， 是一种基于数字信号处理芯片，以软件为核心的崭新的无线通信体系结构，采用数字信号处理技术在可编程控制的通用硬件平台上，利用软件来定义实现无线电台的各部分功能包括前端接收、中频处理和信号的基带处理等。软件无线电技术应在靠近大线的地方使用宽带的“数字/模拟”转换器来完成信号的数字化，从而实现无线电台的功能。软件无线电技术有以下一些特点：①灵活性。其工作模式可由软件编程改变，包括可编程的射频频段宽带信号接入方式和可编程调制方式，改变调制方式或接收不同系统的信号通过软件工具来扩展业务、分析无线通信环境、定义所需增强的业务和实时环境测试。②集中性。多个信道享有共同的射频前端与宽带A/D/A变换器来获取每一信道的相对廉价的信号处理性能。③模块化。模块的物理和电气接口技术指标符合开放标准。在硬件技术发展时，允许更换单个模块，可以使软件无线电保持较长的使用寿命。

4.智能天线技术

智能天线是一种阵列天线，采用空分多址技术，通过调节各阵元信号的权值和相位来对阵列的方向图形状进行改变。也就是自适应或以预制方式控制波束幅度、指向和零点位置，使得波束总是指向期望方向，零点指向干扰方向，让波束随着用户而移动，进而来从而提高天线的增益和节省发射功率。其基本框架如图3所示。

图3 智能天线基本框图

智能天线的目标是根据实际信道情况实时调整自身参数，有效追踪多个用户，在系统中实现空分多址（SDMA）。智能天线是由射频部分的无线信号的接收、发射、A/D转换、D/A 转换和基带部分的数字信号组成。波束赋形是补偿无线传播过程中由空间损耗、多径效应等因素引入的信号衰落与失真，可以降低用户间的同信道干扰。智能天线系统的接收机是利用每个天线阵元上接收到的信息来检测出原始信号，自然天线阵列能够增强系统的性能。在接收端，对接收到的信号进行线性解调得到信号表示如下式：

y（t）=wT*（t）x（t）

式中 w（t）为波束形成的加权矢量，是自适应接收机在检测信号时调节的参数

5.基于IPv6的核心网

4G通信系统采用的是基于IP的全分组的方式传送数据流，它可以实现各种网络之间的无缝链接。采用IP可以使无线接入方式和协议与核心网络（CN）协议、链路层分离独立。在选择IP协议时主要基于以下几点的考虑：

①巨大的地址空间。在未来一段可预见的时期内，可以为所有可能的网络设备提供一个全球惟一的地址。②自动控制。IPv6可以支持无状态和有状态两种地址自动配置的方式。在无状态地址自动配置这种方式下，需要配置地址的节点使用一种邻居发现机制获得一个局部连接地址。在得到这个地址后，会使用另一种即插即用的机制，没有任何人工的干预，就能获得一个全球惟一的路由地址。③服务质量（QOS）。其服务质量从协议的角度上看，IPv6与IPv4提供相同的QOS，但IPv6能提供不同的服务。IPv6报头中增加了字段“流标志”，因为有这个20位长的字段，所以在传输过程中各节点可以识别和分开处理任何IP地址流。④移动性。移动IPv6在功能和服务方面提供更大的灵活性。每个移动设备设有一个固定的家乡地址，这个地址与设备当前接入互联网的位置是没有关系的。当设备在家乡以外的地方使用时，可以通过一个转交地址来提供移动节点当前的位置信息。当移动设备每次改变位置时，都要将它的转交地址告诉给家乡地址和它所对应的通信节点。

6.结语

随着新技术和人们需求的不断发展，第四代移动通信技术也将会做相应调整和进一步发展。4G移动通信技术可以实现更高质量的多媒体通信，能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求极大程度上方便和丰富了人们的生活和工作。

参考文献

[1]李明浩.4G移动通信技术简析与发展预期[J].中小企业管理与科技（上旬刊），2010（08）.

[2]杨超，梅康，陈金鹰，朱军.施4G通信技术及其应用前景[J].通信与信息技术，2011（8）.